姜興龍 梁 廣 劉會(huì)杰 余金培

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一種新型的低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座設(shè)計(jì)方法

姜興龍*①②梁 廣①②劉會(huì)杰②余金培②

①(中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 上海 200050)②(上海微小衛(wèi)星工程中心 上海 201210)

針對(duì)低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座的特點(diǎn)以及傳統(tǒng)星座設(shè)計(jì)方法無(wú)法同時(shí)優(yōu)化覆蓋性能和網(wǎng)絡(luò)性能的不足，該文提出一種新型的兼顧覆蓋性能以及網(wǎng)絡(luò)性能的低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座設(shè)計(jì)方法，并采用非劣分層多目標(biāo)進(jìn)化算法(NSGA-II)優(yōu)化該多目標(biāo)多約束星座設(shè)計(jì)問題。通過(guò)基于STK和OPNET的協(xié)同優(yōu)化仿真平臺(tái)驗(yàn)證了該星座設(shè)計(jì)方法的有效性。

星座設(shè)計(jì)；存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)；多目標(biāo)優(yōu)化；非劣分層多目標(biāo)進(jìn)化算法(NSGA-II)；端到端時(shí)延

1 引言

現(xiàn)代低軌小衛(wèi)星有著研制周期短、成本低、易組網(wǎng)、抗摧毀能力強(qiáng)、通信時(shí)延小、信號(hào)衰減弱、終端易于小型化、可頻率復(fù)用、發(fā)射靈活便捷等特點(diǎn)，在通信、氣象、導(dǎo)航、資源環(huán)境、偵查、科學(xué)研究等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。同時(shí)由于低軌衛(wèi)星軌道高度低，覆蓋范圍小，大多數(shù)情況下，單靠一顆衛(wèi)星難以完成任務(wù)目標(biāo)，為了充分發(fā)揮小衛(wèi)星在這些領(lǐng)域的應(yīng)用，提升小衛(wèi)星的通信和協(xié)作能力，由多顆小衛(wèi)星通過(guò)星間鏈路組成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作是小衛(wèi)星發(fā)展的主要方向[2]。

為了應(yīng)對(duì)我國(guó)越來(lái)越多的商業(yè)運(yùn)輸管理、工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、偵查情報(bào)、全球監(jiān)測(cè)、應(yīng)急通信等[1]全球數(shù)據(jù)傳輸需求，本文參考銥星系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)了一個(gè)存在星間鏈路的小型低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信衛(wèi)星星座。文章第2節(jié)首先給出低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座網(wǎng)絡(luò)模型，并提出一種新型的低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座設(shè)計(jì)方法；第3節(jié)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，給出了優(yōu)化的目標(biāo)和約束；第4節(jié)給出了算法的流程圖和復(fù)雜度；第5節(jié)對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和本文提出的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行仿真比較，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行的總結(jié)分析；第6節(jié)為結(jié)束語(yǔ)。

2 新型的星座設(shè)計(jì)方法

本文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)存在星間鏈路的間歇全球覆蓋的低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座(如圖1)，若干顆低軌衛(wèi)星以一定的軌道飛行，其中星間鏈路ISL1-ISL根據(jù)軌道的運(yùn)行交替通斷。在星間鏈路建鏈期間，用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)衛(wèi)星后根據(jù)路由表進(jìn)行星間傳輸，并最終送達(dá)目的用戶終端。

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座其最主要的性能指標(biāo)為覆蓋性能以及端到端時(shí)延性能，通過(guò)初步的仿真分析得到：如果考慮覆蓋性能最優(yōu)，則衛(wèi)星需要盡可能地分開以減少交疊覆蓋提高重訪性能，若為了提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延性能，則需要衛(wèi)星間較靠近以保證星間鏈路的長(zhǎng)時(shí)間建鏈并傳輸數(shù)據(jù)，故兩優(yōu)化目標(biāo)是相互沖突和矛盾的。此時(shí)采用傳統(tǒng)的方法[16](如圖2)分別進(jìn)行基于覆蓋的構(gòu)型優(yōu)化和基于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化將很可能得到無(wú)法建立星間鏈路的構(gòu)型，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行，故對(duì)于這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)輸入條件的星間鏈路建鏈性能由構(gòu)型決定的情況，需要將網(wǎng)絡(luò)性能的需求作為構(gòu)型設(shè)計(jì)的約束，因此本文提出了一種在構(gòu)型設(shè)計(jì)階段同時(shí)優(yōu)化星座的覆蓋性能和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能的新型星座設(shè)計(jì)方法(如圖3)。

圖1 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)低軌星座示意圖

圖2 傳統(tǒng)通信星座設(shè)計(jì)方法

圖3 新型的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座設(shè)計(jì)方法

3 系統(tǒng)建模

3.1 覆蓋模型

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為盡可能多的用戶提供有效的覆蓋，其單顆衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星覆蓋示意圖

衛(wèi)星的覆蓋性能是星座構(gòu)型設(shè)計(jì)的重要性能指標(biāo)，低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座通過(guò)多顆衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)對(duì)地面用戶的非連續(xù)覆蓋，其細(xì)化的指標(biāo)[11]包括：覆蓋百分比、總覆蓋時(shí)間、覆蓋次數(shù)、平均覆蓋時(shí)間、最大覆蓋時(shí)間、最小覆蓋時(shí)間、平均重訪間隔時(shí)間、最小重訪間隔時(shí)間和最大重訪間隔時(shí)間等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型

低軌存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)通信星座完成數(shù)據(jù)從用戶接入到星上存儲(chǔ)以及星間鏈路的路由轉(zhuǎn)發(fā)最后到達(dá)目的用戶。如圖5所示，其給出了某個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，表示終端用戶1發(fā)送數(shù)據(jù)包并通過(guò)星間交換、星上存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)最后到達(dá)用戶2，星間鏈路在滿足建鏈約束的情況下建立全向高速的星間鏈路，并根據(jù)星上路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最后到達(dá)目的用戶，用戶與衛(wèi)星以及衛(wèi)星與衛(wèi)星的建鏈時(shí)刻決定了端到端時(shí)延。

圖5 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能[17]主要包括：星間鏈路建鏈性能，包括星間鏈路建鏈次數(shù)，建鏈時(shí)長(zhǎng)等；端到端時(shí)延性能：最大、最小、平均端到端時(shí)延以及時(shí)延的分布。

3.3 優(yōu)化的目標(biāo)及約束

存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)星座設(shè)計(jì)的目標(biāo)是用戶使用的便利性以及性能的優(yōu)越性，本文將從用戶使用的角度設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)。假設(shè)全球隨機(jī)均勻分布個(gè)用戶，首先，用戶希望保證每天達(dá)到一定的可通信次數(shù)，其次，希望兩次通信之間的間隔時(shí)間盡量短且分布均勻，最后，用戶還希望數(shù)據(jù)盡快到達(dá)呼叫的目的用戶。這些需求對(duì)應(yīng)到系統(tǒng)性能上分別為對(duì)覆蓋數(shù)量和質(zhì)量的要求，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量的要求。對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)性能指標(biāo)分別為：(1)反映系統(tǒng)覆蓋次數(shù)或數(shù)量的平均每天可通信次數(shù)和平均重訪間隔時(shí)間，在近似的場(chǎng)景下(平均每次通信時(shí)長(zhǎng)接近，如軌道高度以及傾角一致的情況下)，平均可通信次數(shù)的提高將必然降低平均重訪間隔時(shí)間，故兩個(gè)目標(biāo)選取其一即可；(2)反映系統(tǒng)覆蓋質(zhì)量的重訪間隔時(shí)間均方差，較小的重訪間隔時(shí)間均方差將以很大的概率保證一定時(shí)間間隔內(nèi)的重訪，其決定了重訪的規(guī)律性，提升用戶使用的便利性；(3)反映存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)質(zhì)量的平均存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，較小的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延將大大提升系統(tǒng)的效能。

4 算法介紹

針對(duì)以上的多目標(biāo)多約束問題，本文采用非劣分層多目標(biāo)進(jìn)化算法NSGA-II[18]進(jìn)行優(yōu)化，該算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)提出新的基于分級(jí)的快速非劣性排序算法，降低了算法復(fù)雜度；(2)提出了擁擠距離的概念，采用擁擠距離比較算子代替需要計(jì)算復(fù)雜的共享參數(shù)的適值共享方法，使得Pareto前端分布均勻；(3)引入了精英保留機(jī)制，擴(kuò)大了采樣空間，經(jīng)選擇后參加繁殖的個(gè)體所產(chǎn)生的后代同其父代個(gè)體共同競(jìng)爭(zhēng)來(lái)產(chǎn)生下一代種群，因此有利于保持優(yōu)良的個(gè)體，迅速提高種群的整體水平，算法流程如圖6所示。

圖6 NSGA-II算法流程圖

5 參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果

采用OPNET對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，設(shè)置用戶數(shù)目為100個(gè)，用戶地理位置通過(guò)球面均勻分布的隨機(jī)生成函數(shù)生成，具體的經(jīng)緯度分布如圖7，設(shè)定所有用戶平均每小時(shí)產(chǎn)生一個(gè)1 kbit大小的數(shù)據(jù)包等待衛(wèi)星過(guò)境時(shí)上傳，每個(gè)數(shù)據(jù)包的目的地址按照每個(gè)用戶相應(yīng)的事先生成的隨機(jī)數(shù)表順序輪轉(zhuǎn)發(fā)送，從而保證任意一段時(shí)間數(shù)據(jù)包的目的地址具有隨機(jī)性而每次仿真的業(yè)務(wù)又具有重復(fù)性。用戶接入采用Aloha隨機(jī)接入，星間鏈路建鏈準(zhǔn)則為一定可視距離內(nèi)可建立雙向高速鏈路，最遠(yuǎn)的建鏈距離參照銥星系統(tǒng)設(shè)定為4480 km，星間路由采用泛洪算法，并假設(shè)星間鏈路帶寬足夠，不存在擁塞。

經(jīng)過(guò)40種星座構(gòu)型不同天數(shù)的性能仿真分析統(tǒng)計(jì)，得到性能統(tǒng)計(jì)量在仿真時(shí)間從2天開始趨于穩(wěn)定，其與5天統(tǒng)計(jì)量?jī)H有3.3%的變化，且變化方向一致，故2天的仿真時(shí)間長(zhǎng)度得到的性能統(tǒng)計(jì)量已經(jīng)近似可以代替其構(gòu)型的長(zhǎng)期性能，作為不同構(gòu)型比較的依據(jù)，權(quán)衡仿真的復(fù)雜性以及各性能統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為2天。

采用軌道分析工具STK和網(wǎng)絡(luò)仿真軟件OPNET共同搭建協(xié)同仿真平臺(tái)，在平臺(tái)獲得優(yōu)化的構(gòu)型參數(shù)后，首先調(diào)用STK得到覆蓋性能，然后將其生成的軌道數(shù)據(jù)導(dǎo)入到OPNET得到網(wǎng)絡(luò)性能，經(jīng)過(guò)200代的進(jìn)化，算法趨向穩(wěn)定，其各目標(biāo)最優(yōu)值收斂圖如圖8所示，從圖8中可以看出平均重訪間隔時(shí)間較快地得到收斂，而重訪間隔均方差也逐漸得到收斂，平均端到端時(shí)延在前期的快速收斂后逐步緩慢變化。

為了與僅優(yōu)化覆蓋性能的傳統(tǒng)星座設(shè)計(jì)方法[6,11,12]對(duì)比，采用相同的算法優(yōu)化覆蓋的數(shù)量和均勻性，其與新型的設(shè)計(jì)方法在覆蓋性能上的對(duì)比如圖10所示。

通過(guò)圖10可知，相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，新型設(shè)計(jì)方法由于時(shí)延約束的存在，其得到的Pareto前端平均重訪時(shí)間分布范圍較小，并且在其分布范圍內(nèi)，覆蓋均勻性略差，這些是由于時(shí)延約束導(dǎo)致的覆蓋性能損失。通過(guò)對(duì)比圖10中點(diǎn)(表1方案2)和點(diǎn)(表1方案1)，在覆蓋性能接近的情況下，點(diǎn)的平均端到端時(shí)延為231.28 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于點(diǎn)的69.19 min，在覆蓋均勻最好的點(diǎn)，兩條曲線重合，典型點(diǎn)的性能如圖11所示，由此可知，時(shí)延約束將一定程度地轉(zhuǎn)化為覆蓋均勻性的約束，在重訪間隔時(shí)間均方差較大的-段，由于其重訪時(shí)間分布不均勻，造成某些用戶出現(xiàn)較大的重訪時(shí)間，從而導(dǎo)致星上數(shù)據(jù)需要長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)才能下發(fā)給用戶，進(jìn)而使得時(shí)延特性大大惡化，從仿真結(jié)果可知，重訪間隔時(shí)間均方差大于50 min將無(wú)法滿足時(shí)延性能的約束。傳統(tǒng)方法得到的Pareto前沿中，覆蓋均勻性較差的-段無(wú)法滿足時(shí)延的約束，均勻性較好的-段其時(shí)延性能也較差甚至無(wú)法滿足時(shí)延約束，因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比新型的設(shè)計(jì)方法效率低下，且難以得到所有設(shè)計(jì)目標(biāo)的Pareto最優(yōu)解。

圖7 用戶位置經(jīng)緯度分布

圖8 目標(biāo)函數(shù)收斂圖

圖9 Pareto最優(yōu)解集分布

表1 典型星座構(gòu)型方案軌道參數(shù)及性能統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)低軌通信星座的特點(diǎn)，提出一種覆蓋性能和網(wǎng)絡(luò)性能協(xié)同優(yōu)化的星座設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了一種多軟件協(xié)同仿真優(yōu)化平臺(tái)，經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化得到了一定數(shù)量的Pareto最優(yōu)解，通過(guò)對(duì)其的分析明確了衛(wèi)星分布及其星間鏈路建鏈約束對(duì)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，得到在衛(wèi)星較為分散時(shí)，覆蓋性能較優(yōu)的結(jié)論，而相對(duì)于本文的仿真設(shè)置，每個(gè)軌道面分布1顆衛(wèi)星，各軌道面間隔40°~50°，相位較為接近的構(gòu)型能夠提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)擁有較好的覆蓋性能，使得星間鏈路能盡快地將數(shù)據(jù)發(fā)送到將要過(guò)境目的用戶的衛(wèi)星，同時(shí)衛(wèi)星的分布也保證了盡快地重訪目的用戶，并將其與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果證明了該星座設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性以及有效性。在工程環(huán)境下，由于存在入軌偏差以及軌道漂移，星間鏈路的維持需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的軌道控制，優(yōu)選構(gòu)型時(shí)需要考慮構(gòu)型的穩(wěn)定性。由于仿真的模型較為復(fù)雜，并且采用了多軟件的協(xié)同優(yōu)化，使得仿真優(yōu)化較為耗時(shí)，采用收斂速度更快的智能優(yōu)化算法以及分布式仿真是提高仿真速度并獲得更多最優(yōu)解的進(jìn)一步優(yōu)化的方向。

圖10 兩種方法的覆蓋性Pareto最優(yōu)解集分布

圖11 典型解的性能統(tǒng)計(jì)

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姜興龍： 男，1984年生，博士生，研究方向?yàn)樾亲O(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等.

梁 廣： 男，1983年生，博士，研究方向?yàn)樾禽d多波束天線設(shè)計(jì)等.

劉會(huì)杰： 男，1972年生，研究員，研究方向?yàn)樾l(wèi)星載荷技術(shù)、認(rèn)知無(wú)線電、軟件無(wú)線電等.

余金培： 男，1965年生，研究員，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)、多波束天線設(shè)計(jì)等.

A New Design Method of Store and Forward LEO Communication Satellite Constellation

Jiang Xing-long①②Liang Guang①②Liu Hui-jie②Yu Jin-pei②

①(,,200050,)②(,201210,)

According to the characteristics of the store and forward LEO communication satellite constellation and the issue that the traditional constellation design methods can not optimizes simultaneously the coverage performance and network performance, a new store and forward communication satellite constellation design method which balances the coverage and network performance, is proposed, and the Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II) is used to optimize this multi-objective and multi-constrained constellation design. A collaborative optimization simulation platform based on STK and OPNET is built，and the simulation result shows the effectiveness of the proposed constellation design methods.

Constellation design; Store and forward; Multi-object optimization; Non-dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II); End-to-end delay

TN927; V421.41

A

1009-5896(2014)03-0676-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00551

2013-04-24收到，2013-11-08改回

中科院創(chuàng)新基金項(xiàng)目(CXJJ-11-S107)和上海市自然科學(xué)基金(11ZR1435000)資助課題

姜興龍 luckdragon@126.com